Reliability and life-cycle costs of reinforced concrete beams under fire
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Confiabilidade e custos do ciclo de vida de vigas de concreto armado sob incêndio
Primeiro orientador
Membros da banca
Marcilio Souza da Rocha Freitas
Jose Marcio Fonseca Calixto
Mauro de Vasconcellos Real
Christopher Eamon
Jose Marcio Fonseca Calixto
Mauro de Vasconcellos Real
Christopher Eamon
Resumo
Current standards and specifications for the design of reinforced concrete (RC) structures predominantly rely on Limit State Methods, which are semi-probabilistic in nature. Over the last few decades, significant advancements have been made in the reliability assessment of RC structural components, including slabs, beams, and columns, with an emphasis on calibrating partial factors in these semi-probabilistic methods. Reliability assessment is crucial for performance-based design (PBD), as it accounts for uncertainties related to design variables. However, studies on the reliability of RC components under fire exposure remain limited. Given the unpredictable nature of fires and the associated uncertainties (e.g., mechanical properties of materials at high temperatures, structural dimensions, and the mathematical models used), understanding the performance of RC structural elements under fire, as well as the probabilistic characterization of this performance, is paramount. This research addresses the reliability assessment of RC structures exposed to fire, focusing on the key concepts, methods, and probabilistic descriptions of the underlying variables, alongside the definition and quantification of structural performance. Specifically, the study examines RC beams designed in accordance with ABNT NBR 15200. It identifies gaps in both the state-of-the-practice and the state-of-the-art regarding RC beam behavior under fire conditions, highlighting the limitations of current standards and the scarcity of research in this area. The research investigates three primary aspects of the safety and economic performance of RC beams under fire: (i) probabilistic evaluation of bending capacity for both standard and parametric fires, (ii) assessment of failure probabilities for beams designed according to ABNT NBR 15200, and (iii) evaluation of target safety levels, incorporating life-cycle costs. Insights gained from the study underscore the importance of balancing safety and costs, particularly when considering active fire suppression systems, which can reduce failure probabilities and allow for more cost-effective design choices. Additionally, the research emphasizes the need for a probabilistic framework in the future evolution of ABNT NBR 15200, integrating life-cycle costs and risk management principles. This approach offers a more comprehensive, performance-based methodology for designing fire-resistant RC structures, ensuring both safety and economic feasibility in the face of fire hazards.
Abstract
As normas e especificações atuais para o projeto de estruturas de concreto armado (CA) baseiam-se predominantemente nos Métodos de Estado Limite, que são semi-probabilísticos por natureza. Nas últimas décadas, avanços significativos foram feitos na avaliação da confiabilidade de componentes estruturais de CA, como lajes, vigas e colunas, com ênfase na calibração de fatores parciais. A avaliação de confiabilidade é crucial para o “projeto baseado em desempenho” (PBD), pois leva em conta as incertezas relacionadas às variáveis de projeto. No entanto, os estudos sobre a confiabilidade de componentes de CA expostos ao fogo ainda são limitados. Dada a natureza imprevisível dos incêndios e as incertezas associadas (como as propriedades mecânicas dos materiais a altas temperaturas, as dimensões das estruturas e os modelos matemáticos utilizados), entender o desempenho dos elementos estruturais de CA sob condições de incêndio, assim como a caracterização probabilística desse desempenho, é de extrema importância. Esta pesquisa aborda a avaliação de confiabilidade de estruturas de CA expostas ao fogo, enfocando os conceitos-chave, métodos e descrições probabilísticas das variáveis subjacentes, juntamente com a definição e quantificação do desempenho estrutural. Especificamente, o estudo analisa vigas de CA projetadas de acordo com a ABNT NBR 15200. Identificam-se lacunas tanto no estado da prática quanto no estado da arte quanto ao comportamento das vigas de CA sob condições de incêndio, destacando as limitações das normas atuais e a escassez de pesquisas na área. A pesquisa investiga três aspectos principais do desempenho de segurança e econômico das vigas de CA em situação de incêndio: (i) avaliação probabilística da resistência à flexão para incêndios padrão e paramétricos, (ii) avaliação das probabilidades de falha de vigas projetadas conforme a ABNT NBR 15200, e (iii) avaliação dos níveis de segurança alvo, incorporando os custos ao longo do ciclo de vida. Os resultados obtidos destacam a importância de equilibrar segurança e economia, especialmente quando se consideram sistemas ativos de supressão de incêndio, que podem reduzir as probabilidades de falha e permitir escolhas de projeto mais econômicas. Além disso, a pesquisa enfatiza a necessidade de um referencial probabilístico na evolução futura da ABNT NBR 15200, integrando custos do ciclo de vida e princípios de gerenciamento de risco. Esta abordagem oferece uma metodologia mais abrangente, baseada no desempenho, para o projeto de estruturas de CA resistentes ao fogo, garantindo tanto a segurança quanto a viabilidade econômica diante de riscos de incêndio.
Assunto
Engenharia de estruturas, Resistência de materiais - Normas, Incêndios - Medidas de segurança, Concreto armado - Resistência
Palavras-chave
reinforced concrete, reliability, fire, uncertainties, beams, target safety levels, life-cycle costs, fire design